淺談流速流量測(cè)井在水文地質(zhì)勘探中的實(shí)用性

郭 濤，黨 靜

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

地質(zhì)勘探中，尤其是煤田地質(zhì)勘探，需要對(duì)勘探區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)進(jìn)行探明，除了對(duì)地表水文、水系、河流、湖泊進(jìn)行填圖外，還必須探明目的層(煤層)上覆地層和下伏巖層的含、隔水層，富水性和涌水量等。為了更好地研究勘探區(qū)水文地質(zhì)類型、特征、富水性，解決后期礦井建設(shè)和生產(chǎn)中水的問題，防治水害和合理利用保護(hù)地下水資源，分析礦井充水規(guī)律。

1 地層巖性、含隔水層應(yīng)具條件

地球表面下伏地層由大小不等、顆粒粗細(xì)不一、膠結(jié)物質(zhì)相異的非均勻塊狀物質(zhì)所組成，由于顆粒間的空隙即巖石孔隙，這些孔隙有的含水有的不含水，也有雖然含水卻難以透水，通常指既能透水又飽含水的多孔介質(zhì)稱為含水介質(zhì)，這是地下水存在的基本條件。

煤層產(chǎn)于沉積巖類，是地表風(fēng)化物經(jīng)過風(fēng)或水的搬運(yùn)后在新的地方沉積而形成的巖石，有礫巖、砂巖、泥巖、頁巖、石灰?guī)r等。礫巖顆粒粗大，孔隙度較高；砂巖是由像沙灘上的沙子大小顆粒組成的巖石，分為粗粒砂巖(粒徑0.5～1 mm)，中粒砂巖(0.25～0.5 mm)，細(xì)粒砂巖(0.10～0.25 mm)，粉砂巖(0.01～0.10 mm)，泥巖(小于0.01 mm)。粉砂巖、泥巖由于粒度小、致密，在未發(fā)生裂變的情況下是不含水的，中、粗粒砂巖，礫巖由于孔隙度較大，有充水空間，一般認(rèn)為含水，但到底有無水要看其層位在潛水位上還是下，上無下有。

2 布設(shè)水文鉆孔的任務(wù)與目的

2.1 布設(shè)水文鉆孔的任務(wù)

地面水文地質(zhì)填圖，標(biāo)明勘探區(qū)內(nèi)及附近已有的泉眼、河流、湖泊(海子)水井的基礎(chǔ)上，為能進(jìn)一步查明地下含水層的巖性、層數(shù)、厚度、深度及出水量、水質(zhì)、水溫等水文地質(zhì)條件、特征和水文參數(shù)解決地面工作中難以解決的水文地質(zhì)問題，評(píng)價(jià)礦井水患和合理開發(fā)利用地下水資源，并提供可靠的水文地質(zhì)資料和完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要布設(shè)一定數(shù)量水文鉆孔。

2.2 布設(shè)水文鉆孔的具體目的

①揭露地下地層中含水層、隔水層分布情況，探明含水層的埋藏深度、厚度，含水層的巖性，各含水層之間的水力聯(lián)系；②進(jìn)行各種水文地質(zhì)試驗(yàn)，以確定含水層富水性好壞，各種水文地質(zhì)參數(shù)、滲透系數(shù)(K)、導(dǎo)水系數(shù)(T)等；③采集水樣，確定含水層的水質(zhì)、水溫、水理性質(zhì)；④監(jiān)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)變化和規(guī)律、地下水流向。

3 水文地質(zhì)參數(shù)的獲取

依據(jù)前期水文地質(zhì)調(diào)查和布設(shè)的水文地質(zhì)鉆孔按規(guī)范施工成孔，進(jìn)行鉆孔常規(guī)測(cè)井，施測(cè)的方法有：視電阻率、電位電阻率、自然電位、自然伽瑪、人工放射性(長(zhǎng)、短源距伽瑪)、聲波時(shí)差，有條件還可以中子-中子測(cè)井，利用獲取測(cè)井各參數(shù)，作全孔剖面巖性解釋，初步提供含水層深度、厚度巖性。地質(zhì)技術(shù)人員根據(jù)測(cè)井提供的剖面巖性資料，結(jié)合鉆探提取的巖芯資料，鉆孔的水文地質(zhì)任務(wù)和要求做出擴(kuò)孔位置，下放套管、過濾管的深度。水文鉆孔施工中，依據(jù)水文抽水要求分正法抽水和回填法抽水，正法抽水試驗(yàn)即鉆孔揭露目的層段后便進(jìn)行抽水試驗(yàn)，回填則是鉆孔鉆至勘探區(qū)所有必須揭露的地層之下，由底部開始分層抽試，抽試一段回填一段。

抽水試驗(yàn)：使水位出現(xiàn)最大降深，達(dá)到穩(wěn)定，即3個(gè)小時(shí)水位不變或4個(gè)小時(shí)水位上下變化不大于10 m，利用降深、時(shí)間、出水量等實(shí)測(cè)資料，制作降深-時(shí)間，降深-水量等曲線圖，依據(jù)裘布依公式結(jié)合常用換標(biāo)方法如：配線法、直線圖法等確定地質(zhì)參數(shù)。

水文測(cè)井：這里所指的水文測(cè)井是指專門的水文測(cè)井，能較準(zhǔn)確地獲得地層各含水層的出水量、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，還能了解各含水層之間的相互關(guān)系。

近年應(yīng)用在煤層勘探中的水文測(cè)井方法有擴(kuò)散法測(cè)井、示蹤劑法測(cè)井、光電測(cè)井、流速流量測(cè)井等方法。

擴(kuò)散法測(cè)井：是測(cè)量井液電阻率的簡(jiǎn)稱，即測(cè)量孔液電阻率。水文鉆孔施工到目的層后，下放篩注管做抽水試驗(yàn)，鉆孔孔內(nèi)的液體大多為清水，除高礦化度地層外均為淡水，電阻率值一般在30～70 Ω·m，人為的放入適量的食用鹽或其他離子，電阻率值就會(huì)降低。擴(kuò)散法測(cè)井的方法和步驟便是在清水的鉆孔內(nèi)先測(cè)量一條在原始條件下孔內(nèi)液體電阻率沿井軸方向的變化曲線，隨后下入食鹽或離子，并使其在孔內(nèi)均勻，一般情況應(yīng)保證下入食鹽后的電阻率小于未下食鹽阻值的一半以下，開始測(cè)量孔內(nèi)的液體電阻率，隨后每間隔一定時(shí)間測(cè)量一條井液電阻率曲線，間隔時(shí)間與地層水流動(dòng)快慢、滲透系數(shù)等息息相關(guān)，快，時(shí)間間隔的短；慢，反之。圖1、圖2為實(shí)測(cè)的擴(kuò)散法測(cè)井曲線。

圖1 擴(kuò)散法測(cè)井曲線Fig.1 Diffusion logging curve

圖2 擴(kuò)散法測(cè)井曲線Fig.2 Diffusion logging curve

在測(cè)得的曲線上可以得知不同深度、不同時(shí)間的井液電阻率，依據(jù)科切林-科爾公式即可求得各深度地層的滲透速度。

示蹤劑測(cè)井：在鉆孔內(nèi)放入試劑，測(cè)量試劑在孔內(nèi)不同深度360°方位的吸收量，量大的方位即為流向，量的大小取決于地層滲透速度，由于施測(cè)繁瑣，煤田上沒有開展。

光電測(cè)井：即探測(cè)井液透明程度和變化情況的不同來了解含水層及其相互間的補(bǔ)給關(guān)系，方法與擴(kuò)散法基本相似，因沒有成熟的儀器設(shè)備尚未施測(cè)。

流速流量測(cè)井：流量測(cè)井也稱為流速測(cè)井，即測(cè)量鉆孔不同深度橫截面的水流速度。在不人為改變水位的條件下，以相同的速度下放或上提各測(cè)一條流速曲線，鉆孔內(nèi)各含水層間無補(bǔ)給關(guān)系則為一條微動(dòng)的近似直線，有補(bǔ)給關(guān)系的則在漏水層處出現(xiàn)正斜線，吸水層處出現(xiàn)負(fù)斜線，隔水層不變，斜率的大小表明出水量和吸水量的大小。分別改變綜合水位2個(gè)不同降深，以相同的提升下放速度，各測(cè)2條流速曲線，通過實(shí)測(cè)得流速曲線，鉆孔孔徑，流速流量?jī)x在不同管徑，不同流量條件下的刻度資料，即可詳細(xì)得知鉆孔各深度處的出水量、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。

不同的含水層有著不同的靜止水位，鉆孔向下鉆進(jìn)，揭露了不同介質(zhì)即不同巖性的巖層，這些巖層有的含水有的不含水，有的涌水有的吸收水。鉆孔內(nèi)測(cè)得的水位面為綜合水位面，凡是靜止水位高于綜合水位的含水層都是向孔內(nèi)涌水，反之吸水，涌水、吸水的大小取決于各含水層的靜止水位與綜合水位的差和含水層的導(dǎo)水系數(shù)、滲透速度的大小。如圖3～6所示。

圖3 流速流量測(cè)井曲線Fig.3 Velocity and flow logging curve

圖4 流速流量測(cè)井曲線Fig.4 Velocity and flow logging curve

4 方法對(duì)比

抽水法試驗(yàn)：是在鉆孔內(nèi)的一個(gè)地層段內(nèi)進(jìn)行，這個(gè)地層段由于巖性的不同，顆粒的不均勻，膠結(jié)物的差異，會(huì)是涌水層、吸水層和隔水層，其計(jì)算出一個(gè)降深的水文參數(shù)是這一段的平均值，水量是綜合水量，無法精確計(jì)算深度水量大小、是否出水，加之鉆孔在抽水時(shí)孔壁巖塊掉落沉積也可使抽水層段變短、水量減小而導(dǎo)致計(jì)算值比實(shí)際值小，嚴(yán)重影響礦井井下水的排泄和井筒施工。

擴(kuò)散法：能計(jì)算出水文地質(zhì)參數(shù)、滲透系數(shù)等，但因離子的自身擴(kuò)散和移動(dòng)，加大了計(jì)算的系數(shù)值，并且對(duì)含水層、隔水層界面劃分不是很精準(zhǔn)，水力坡度小的含水層施測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，抽水或注水也影響含水層界面的解釋，遇到高礦化度的地層也不好施測(cè)，幾個(gè)距離相近的含水層容易劃分為一層。圖2為2個(gè)含水層擴(kuò)散法測(cè)井曲線圖。

流量測(cè)井：既可以點(diǎn)測(cè)也可以連續(xù)測(cè)量，連續(xù)測(cè)量在靜止水位條件下，上下各測(cè)量一條曲線，便可分清鉆孔內(nèi)各含水層間有無補(bǔ)給關(guān)系，有無涌水層，抽水降低水位測(cè)得的曲線可較準(zhǔn)確的分出含水層、隔水層，并且對(duì)含水層的強(qiáng)弱也可以區(qū)分開來。圖3中解釋了3個(gè)含水層，中間的那層出水量相對(duì)上下兩層要大且下部強(qiáng)；圖5上部含水層含水性強(qiáng)，下部含水層含水性弱；圖6的3個(gè)含水層含水性為上兩層強(qiáng)下層弱。各含水層具體出水量因與水位降深相關(guān)，因此未作標(biāo)注。

圖5 流速流量測(cè)井曲線Fig.5 Velocity and flow logging curve

圖6 流速流量測(cè)井曲線Fig.6 Velocity and flow logging curve

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)獲取水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的方法、步驟、精準(zhǔn)度進(jìn)行具體分析、對(duì)比研判，進(jìn)行流量測(cè)井，施測(cè)較簡(jiǎn)，效果相應(yīng)較好，能準(zhǔn)確地評(píng)述地下水文地質(zhì)特征，精準(zhǔn)劃分含水層、隔水層，較準(zhǔn)確地計(jì)算出各含水層的出水量、滲透速度。不僅能清楚地計(jì)算和區(qū)分開來含水層間的補(bǔ)給關(guān)系，還可以一次成井，減少了鉆探分段施工帶來的各項(xiàng)重復(fù)工作，降低了測(cè)井次數(shù)，以及抽水層段，并能取全取準(zhǔn)水文孔所要完成的地質(zhì)設(shè)計(jì)任務(wù)，節(jié)約各項(xiàng)成本和施工時(shí)間。

(2)流量測(cè)井是目前準(zhǔn)確確定地下含水層位置、厚度、層數(shù)及分層流量，各含水層之間相互關(guān)系，含水層滲透性能的最有效方法之一，實(shí)施流量測(cè)井能夠獲準(zhǔn)地下水文地質(zhì)參數(shù)，精準(zhǔn)指導(dǎo)井筒施工過程中所遇水患問題，優(yōu)化礦井水排泄設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)施工時(shí)水的排泄。一次成孔，全井施測(cè)井，減少分段施工，分段抽水試驗(yàn)帶來的經(jīng)濟(jì)支出，準(zhǔn)確獲取水文數(shù)據(jù)。